普通X線攝影技術(shù)朝著6大趨勢化迅猛發(fā)展

引言

X線攝影技術(shù)作為目前全球最為廣泛應(yīng)用的醫(yī)療影像檢查手段，覆蓋了數(shù)十億人口的健康與疾病篩查。自從德國人倫琴發(fā)現(xiàn)X線以來，X線作為一種技術(shù)手段便廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域。在X線的諸多技術(shù)和設(shè)備當(dāng)中，普放X線攝影檢查，包括一般X光攝影檢查、鉬靶檢查和胃腸造影X線檢查等X線檢查技術(shù)，已經(jīng)成為了當(dāng)前全球使用最廣泛的檢查手段。X線攝影檢查憑借著其便利性、低成本、低劑量和高效率，不僅在胸部疾病篩查、肺部篩查、骨關(guān)節(jié)疾病篩查上有著獨特的臨床應(yīng)用價值，其在乳腺疾病上的檢查更是有著其他影像設(shè)備不可比擬的臨床優(yōu)勢。X線攝影檢查在中國經(jīng)歷了高速的發(fā)展，從早期的模擬成像階段、間接數(shù)字化X線成像階段、直接數(shù)字化X線成像階段到動態(tài)多功能成像階段，普通X線攝影技術(shù)發(fā)展迅速。

本文通過梳理目前全球數(shù)字化X線產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)探索路徑，總結(jié)普通X線技術(shù)正在迅猛發(fā)展的6大趨勢。

1 動態(tài)化

在2019年的RSNA北美放射學(xué)年會上，動態(tài)數(shù)字化X線攝影技術(shù)榮獲了美國放射醫(yī)師協(xié)會最佳創(chuàng)新獎。一般而言，數(shù)字化X線攝影相較于CT具備劑量低、檢查時間短、依從性高、圖像清晰度高和價格低等特點和優(yōu)勢。但是對于一般數(shù)字化X線攝影而言，獲得的都是二維平面影像，同時受到被照物的影響，諸如呼吸以及受檢查的運動等因素，影像質(zhì)量難以控制。動態(tài)DR相較于常規(guī)數(shù)字化X線攝影，能極大地提升X線影像質(zhì)量控制效果，同時對于諸多部位的攝片診斷能提供運動功能的視角和評估參考，能進(jìn)一步提升篩查與診斷的精準(zhǔn)性。動態(tài)DR作為X線攝影技術(shù)，在臨床中具備廣泛的應(yīng)用價值與優(yōu)勢（圖1）。例如，動態(tài)DR在胸部影像診斷中具有可視化功能，可在任意轉(zhuǎn)動體位時，結(jié)合呼吸運動，排除胸部骨骼、心影和肺門大血管的重疊或遮蓋，多角度地動態(tài)觀察胸廓、肋骨、縱膈、心影、膈肌以及胸腔病變、肺部病變、縱膈病變在呼吸運動狀態(tài)下的變化，在各種管路位置的提示及治療效果評估上也能滿足臨床需要。目前動態(tài)數(shù)字化X線攝影技術(shù)趨勢已經(jīng)成為行業(yè)普遍共識，可以預(yù)見的是，隨著動態(tài)數(shù)字化X線攝影技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，動態(tài)數(shù)字化X線攝影有望全面取代常規(guī)靜態(tài)攝影，從根本上改變普通數(shù)字化X線攝影漏診與誤診的臨床弊端，極大提升DR初篩的準(zhǔn)確性。

圖1 動態(tài)成像技術(shù)

2 三維化

西門子醫(yī)療在2020年發(fā)布全新Multitom Rax高端懸吊3D數(shù)字化X線設(shè)備，中文簡稱為“立”，該產(chǎn)品通過雙懸吊球管機(jī)械臂與探測器機(jī)械臂的聯(lián)合環(huán)繞運動，實現(xiàn)對骨關(guān)節(jié)的三維掃描，并重建出三維數(shù)字化影像，尤其是對需要在負(fù)重位下進(jìn)行三維檢查的部位，包括膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等部位。除了西門子之外，國產(chǎn)數(shù)字化X線頭部廠商安健科技也在數(shù)字化三維化技術(shù)上創(chuàng)新路徑，通過360°自動旋轉(zhuǎn)掃描裝置實現(xiàn)對骨關(guān)節(jié)的三維掃描（圖2）。透過西門子與安健科技的3D數(shù)字化X線的臨床研究可以看到，三維數(shù)字化X線掃描可以實現(xiàn)在負(fù)重位下的三維影像信息，解決CT、核磁等無法解決的站立位下的三維影像信息缺失的問題，對于臨床骨科的診斷，具有極高的臨床應(yīng)用價值，得到了國內(nèi)諸多專家的認(rèn)可。隨著該技術(shù)的突破，未來普通數(shù)字化X線攝影檢查有望和三維技術(shù)進(jìn)一步深入結(jié)合，通過普通的DR即可進(jìn)行諸多部位的二維篩查與三維檢查，從根本上改變數(shù)字化X線攝影檢查漏診率高的弊端。同時，數(shù)字化X線檢查的高效率、低成本也會進(jìn)一步推動三維數(shù)字化X線技術(shù)的快速發(fā)展。

圖2 三維掃描懸吊系統(tǒng)

3 功能化

醫(yī)學(xué)對于身體組織器官的運功功能狀態(tài)評估始終都有著強(qiáng)烈的需求，普通數(shù)字化X線攝影包括CT斷層攝影都無法直觀地呈現(xiàn)運動功能成像，諸如胸部運動功能成像、頸椎運功功能成像以及四肢運動功能成像。透過運動功能成像的評估，醫(yī)療影像的評估將會全面邁入精準(zhǔn)評估的階段，通過量化的數(shù)據(jù)和更為直觀的運動功能影像信息，對疾病的診療前后進(jìn)行精準(zhǔn)地評估（圖3）。目前，基于動態(tài)數(shù)字化X線攝影技術(shù)，已經(jīng)在胸部運功功能成像，諸如慢性阻塞性肺疾?。–hronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）、哮喘、頸椎病等相關(guān)疾病的應(yīng)用中發(fā)揮出獨特的臨床診斷價值。以COPD為例，通過對COPD患者的呼吸肺野面積的變化與正常呼吸肺野面積氣體變化率的數(shù)據(jù)比較，可以比較精準(zhǔn)地評估COPD患者的肺部運功功能狀態(tài)（圖 4）。

圖3 運動功能成像

圖4 60歲正常人（a）與79歲COPD患者（b）的肺部運動功能成像

此外，運動功能評估還可以對廣泛胸膜粘連、心包積液、慢支肺氣腫、膈麻痹等均能造成呼吸運動功能的不足且臨床癥狀偏重而影像肺部表現(xiàn)較輕的病情信息進(jìn)行精準(zhǔn)評估，攝影時的吸氣像和呼氣像的比較或者動態(tài)透視觀察能夠提供相應(yīng)的信息。

4 能譜化

由于能譜X線能將任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)轉(zhuǎn)化為任意兩種基物質(zhì)的吸收系數(shù)，并達(dá)到與該物質(zhì)相同的X線衰減效應(yīng)，因此可將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的兩種物質(zhì)的密度，并根據(jù)已知能量水平的某基物質(zhì)吸收系數(shù)就可評價出該基物質(zhì)的密度及空間分布，從而實現(xiàn)物質(zhì)組成成分的初步分析及物質(zhì)分離，并產(chǎn)生物質(zhì)分離圖像。能譜化技術(shù)可以在實現(xiàn)低劑量掃描的同時，獲得高質(zhì)量的圖像效果。此外，通過能譜技術(shù)可以展現(xiàn)能譜曲線信息、物質(zhì)分離圖像、有效原子序數(shù)圖等信息，為相關(guān)病灶成分的分析提供更加直觀、準(zhǔn)確的方法。數(shù)字化X線能譜化的發(fā)展，將會讓數(shù)字化X線攝影技術(shù)迎來一次革命性的發(fā)展，而目前這種技術(shù)在實驗室階段已經(jīng)取得了令人欣喜的成績。

5 超低劑量化

數(shù)字化X線攝影技術(shù)長期以來，一直在最優(yōu)圖像與最優(yōu)劑量之間追求最優(yōu)化，同時圍繞合適劑量與最優(yōu)圖像之間展開了廣泛的討論。對于普通數(shù)字化X線攝影技術(shù)來說，超低劑量化一直是全球努力的方向，包括全球多個醫(yī)學(xué)影像研究團(tuán)隊，都在致力于實現(xiàn)超低劑量的數(shù)字化X線成像。目前可以看到的是，隨著探測器探測效率的進(jìn)一步提升、攝片流程的優(yōu)化、后期圖像處理算法的不斷優(yōu)化，數(shù)字化X線影像的使用頻率正在逐漸降低。此外，隨著探測器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，低劑量化X線攝影有望迎來更大的突破。據(jù)了解，國產(chǎn)X線機(jī)頭部廠商安健科技研發(fā)團(tuán)隊在國際知名一區(qū)Top刊物《Nano Energy》與《Nanotechnology》聯(lián)合署名發(fā)表2篇重要研究成果，研究成果證明：硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦量子點納米晶陣列將X射線光子信號直接轉(zhuǎn)換為電流信號，有效避免了將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，再將可見光轉(zhuǎn)換為電子空穴對的過程，提高了量子探測效率。由于鈣鈦礦材料中含有的Pb和Br原子具有高的原子序數(shù)，由此可實現(xiàn)毫米級的鈣鈦礦陣列厚度，保證具備強(qiáng)大的X射線吸收能力，見圖5。

圖5 基于鈣鈦礦探材料的探測器最新研究成果

此外，包括中國科學(xué)院深圳先進(jìn)研究院、東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、吉林大學(xué)等幾個團(tuán)隊也在鈣鈦礦材料研究上取得了諸多重要研究成果，為鈣鈦礦的技術(shù)應(yīng)用奠定了有利基礎(chǔ)。相信隨著相關(guān)技術(shù)的突破，數(shù)字化X線攝影的低劑量化應(yīng)用將會被廣泛地普及應(yīng)用。

6 超便攜化

數(shù)字化X線攝影技術(shù)的超便攜化發(fā)展趨勢發(fā)展迅速，近幾年移動DR的高速發(fā)展讓便攜化X線設(shè)備在臨床得到廣泛應(yīng)用，不同于固定數(shù)字化X線機(jī)的笨重和龐大，便攜化X線設(shè)備可以超越空間局限，靈活地應(yīng)用于臨床各個科室，檢查流程更加高效簡單，可以針對不便移動的病人進(jìn)行隨時隨地的數(shù)字化X線攝影。在新冠疫情期間，移動數(shù)字化X線設(shè)備成為新冠肺炎患者每日影像隨訪檢查的主要設(shè)備，在支援全球抗疫中發(fā)揮著重要力量。此外，小型便攜X光機(jī)也在快速發(fā)展，隨著各種應(yīng)急能力建設(shè)的加快，小型輕便化X光機(jī)設(shè)備在全球得到了快速發(fā)展，在應(yīng)對應(yīng)急災(zāi)害下的急救與急診需求時發(fā)揮著重要價值。

綜上所述，普通數(shù)字化X光機(jī)在歷經(jīng)百年發(fā)展歷程之后，依舊有著廣闊的發(fā)展空間和技術(shù)動力。由于普通數(shù)字化X光機(jī)所具有的獨特優(yōu)勢，讓其在臨床應(yīng)用中始終具有不可替代的獨特價值，而伴隨著動態(tài)化發(fā)展、功能化發(fā)展、三維化發(fā)展，普通數(shù)字化X光機(jī)在臨床上的診療實踐價值將會被進(jìn)一步重新定義?？梢灶A(yù)想的是，伴隨精準(zhǔn)醫(yī)療時代的到來，普通數(shù)字化X光機(jī)必將在精準(zhǔn)醫(yī)療中開啟一個全新的醫(yī)療診斷時代，讓普放不普通，讓普放與其他多種影像技術(shù)一起，更好地為人類的健康保障護(hù)航。